The problem of waste management of wooden railway sleepers

Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska
ISSN 1733-4381, vol. 16, issue 3 (2014), p. 7-16
http://awmep.org
The problem of waste management of wooden railway sleepers
Ryszard WASIELEWSKI1, Sławomir STELMACH1
1
Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, 41-803 Zabrze, ul. Zamkowa 1, tel. 032 271 00 41, fax. 032 271 08 09
e-mail: [email protected]
Abstract
Used wooden railway sleepers are a serious environmental problem because they are contaminated with impregnating
chemicals. At the same time they are interesting source of waste biomass. The paper presents the characteristics of the
wooden railway sleepers stream and their physicochemical properties. Used wooden railway sleepers may be disposed of by
landfilling, biological treatment or thermal utilisation (energy recovery). An effective solution to the problem of used
impregnated wood managing may be the designing and implementation of energy recovery technology by gasification. The
gas produced from gasification of biomass and waste can be used to produce heat and electricity.
Keywords: wooden railway sleepers, energy recovery, gasification
Streszczenie
Problem zagospodarowania zużytych drewnianych podkładów kolejowych
Zużyte drewniane podkłady kolejowe stanowią poważny problem ekologiczny ze względu na zawarte w nich impregnujące
środki chemiczne. Jednocześnie stanowią one interesujące źródło biomasy odpadowej. W publikacji przedstawiono
charakterystykę strumienia tych odpadów oraz ich właściwości fizykochemicznych. Odpadowe podkłady kolejowe mogą być
unieszkodliwiane przez składowanie, obróbkę biologiczną lub wykorzystanie energetyczne (odzysk). Skutecznym
rozwiązaniem problemu zagospodarowania odpadowego drewna impregnowanego może być także opracowanie i wdrożenie
technologii jego odzysku energetycznego poprzez zgazowanie. Gaz wytwarzany ze zgazowania biomasy i odpadów może
być wykorzystywany do produkcji ciepła i energii elektrycznej.
Słowa kluczowe: drewniane podkłady kolejowe, odzysk energii, zgazowanie
1. Wstęp
Racjonalne gospodarowanie odpadami jest jednym z najważniejszych wyzwań stojących przed współczesną
cywilizacją. Naczelnym celem w gospodarowaniu odpadami powinno być stosowanie (tam, gdzie to tylko
możliwe) odzysku odpadów – materiałowego, bądź energetycznego. Odzysk energetyczny ma uzasadnienie
szczególnie w odniesieniu do odpadów o charakterze biomasowym (odpadów biodegradowalnych), gdyż
zazwyczaj pozwala na wytworzenie użytecznej energii o charakterze odnawialnym.
Biomasa drzewna jako pierwotny surowiec energetyczny jest jednym z podstawowych źródeł dla otrzymywania
energii odnawialnej. Pozyskuje się ją głównie jako drewno odpadowe w różnych postaciach w leśnictwie
(grubizna opałowa lub drobnica gałęziowa) oraz w przetwórstwie drewna surowego (tartaki, fabryki mebli, itp.).
Szacunkowy bilans drewna odpadowego pozyskiwanego w skali kraju do celów energetycznych z ww. źródeł
wskazuje, że nie ma większych możliwości zwiększenia jego podaży. Dodatkowym, lecz niezbyt zasobnym
źródłem drewna odpadowego są zużyte opakowania z drewna (kod 15 01 03) oraz drewno z rozbiórek bez
szkodliwych zanieczyszczeń (kod 17 02 01).
Analiza deficytowego rynku drewna odpadowego w kraju i za granicą wykazuje, że rośnie zainteresowanie
kwalifikowanym, bezpiecznym dla środowiska naturalnego zagospodarowaniem energetycznym drewna
odpadowego poddanego chemicznej impregnacji środkami ochrony przed wilgocią i czynnikami biotycznymi,
głównie grzybami.
8
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 16 issue 3 (2014)
Według danych literaturowych [1], w Polsce podaż odpadowego drewna impregnowanego środkami ochrony
wynosi około 120 tys. Mg/rok, a ilość ta w związku z planowanymi remontami sieci kolejowej będzie w
najbliższych latach najprawdopodobniej rosła.
Impregnaty do nasycania drewna, szczególnie do ochrony przed grzybami, dobiera się w zależności od
zamierzonych warunków i czasu jego eksploatacji, uwzględniającego w miarę możności sprawdzony w
dotychczasowej praktyce cykl życia danego wyrobu z drewna. W praktyce, najbardziej głębokiej, co najmniej
kilkumilimetrowej impregnacji, podlegają wyroby drewniane przeznaczone do pracy na otwartej przestrzeni i
mające kontakt z gruntem, a tym samym z wodą i czynnikami mikrobiologicznymi. Do takich wyrobów należą
głównie drewniane elementy nawierzchni kolejowej (podkłady kolejowe i podrozjazdnice) oraz słupy
teletechniczne. Podrozjazdnice układane pod rozjazdami są specjalnym rodzajem podkładów kolejowych,
dłuższym od podkładów typowych.
Znaczące zwiększenie trwałości eksploatacyjnej impregnowanych drewnianych elementów nawierzchni
kolejowej powoduje jednak ich „utoksycznienie”, a tym samym narażenie na skażenie miejsca ich posadowienia
lub składowania.
Stosowana powszechnie od dziewiętnastego wieku impregnacja drewnianych elementów nawierzchni kolejowej
i słupów teletechnicznych olejami impregnacyjnymi pochodzenia karbochemicznego (najczęściej olejem
kreozotowym) powoduje, że drewno odpadowe pozyskiwane podczas remontów torów kolejowych może być
klasyfikowane jako odpad niebezpieczny (kod 17 02 04*). Wynika to z faktu, że zaimpregnowane, odpadowe
drewniane elementy nawierzchni kolejowej nawet po 20÷30 latach eksploatacji na torze, zawierają jeszcze
szereg wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA), a tym samym powinny podlegać
szczególnemu nadzorowi i obowiązkowej ewidencji. Odpadowe drewniane elementy nawierzchni kolejowej są
sortowane i częściowo ponownie wykorzystywane na torowiskach (ok. 30%). Pozostała część tych odpadów jest
magazynowana w siedzibach służb remontowych Polskich Kolei Państwowych i oferowana do sprzedaży na
forach internetowych i stronach ogłoszeniowych do celów ogrodowych i budowlanych oraz opałowych, często
za symboliczną cenę . Odpadowe drewniane elementy nawierzchni kolejowej często wykorzystuje się w
ogrodach do budowy altan, tarasów, ogrodzeń, podjazdów i na wykładanie ścieżek ogrodowych. Stosuje się je
też do umacniania skarp i wykonywania kostki brukowej.
W tym stanie rzeczy, skutecznym rozwiązaniem problemu zagospodarowania odpadowego impregnowanego
drewna może być opracowanie i wdrożenie technologii jego odzysku energetycznego poprzez zgazowanie, co
umożliwi nie tylko wytworzenie użytecznego ciepła, ale również energii elektrycznej. Można tu wykorzystać
dotychczasowe, wieloletnie doświadczenia nad zgazowaniem odpadowej biomasy drzewnej,
niezanieczyszczonej impregnatami węglowodorowymi, modyfikując odpowiednio parametry procesu
zgazowania i oczyszczania gazu poprocesowego, tak aby proces mógł być realizowany z zachowaniem
wszelkich rygorów legislacyjnych dotyczących termicznego przekształcania odpadów.
Odpadowe drewniane elementy nawierzchni kolejowej są do odzysku energetycznego szczególnie przydatne,
gdyż określone są ściśle miejsca ich magazynowania i gwarantowana jest ciągłość dostaw tego potencjalnego
paliwa.
2. Charakterystyka drewnianych elementów nawierzchni kolejowej.
Drewniane elementy nawierzchni kolejowej dzielą się na podkłady kolejowe oraz podrozjazdnice. Podkłady
kolejowe są to belki poprzeczne do biegu toru, na których za pomocą specjalnych przytwierdzeń mocuje się
szyny. Głównymi zaletami podkładów drewnianych są nieprzewodzenie prądu i bardzo skuteczne tłumienie
drgań. W porównaniu do podkładów betonowych ich stosowanie jest bardziej opłacalne kosztowo.
Podkłady ułożone w ustalonych odstępach do osi toru przejmują naciski kół na szyny przekazywane za pomocą
podkładek i przytwierdzeń szynowych, przenoszą te naciski na warstwę podsypki, a ponadto zapewniają
utrzymanie prawidłowej szerokości toru. Podkłady pracują na zginanie, a w miejscach ułożenia podkładek - na
ściskanie. Tabela 1 prezentuje charakterystykę podstawowych podkładów drewnianych belkowych i obłych
stosowanych przez Polskie Koleje Państwowe Polskie Linie Kolejowe S.A.
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 16 issue 3 (2014)
9
Tabela 2.1. Podstawowe podkłady drewniane belkowe i obłe stosowane przez PKP PLK S.A..
Typ
podkładu
IB
II B
II O
III B
III O
IV O
Długość, [m]
Objętość, [m3]
Powierzchnia przekroju, [m2]
2,6
2,6
2,6
2,5
2,5
2,5
0,0962
0,0894
0,0923
0,0770
0,0755
0,0730
0,0370
0,0344
0,0355
0,0308
0,0302
0,0292
Warunki ekspozycji drewnianych podkładów i podrozjazdnic kolejowych, a mianowicie stałe narażenie na
działanie atmosfery i poddawanie częstemu nawilżaniu stanowią o tym, że należą one do 4 klasy użytkowania
drewna [2].
Dobór danego typu podkładu zależy od klasy technicznej toru (6 klas), przy czym w każdej klasie technicznej
można stosować kilka równorzędnych standardów konstrukcyjnych nawierzchni, a więc i kilka typów
podkładów. Również maksymalny rozstaw podkładu wynika ze standardu konstrukcyjnego nawierzchni [3].
Rozstaw podkładów w zależności od klasy technicznej toru wynosi od 0,60 do 0,85 m. Odległości między
osiami podkładów w torze zależą w szczególności od nacisku osi, typu szyn i ich długości, rodzaju podkładów
oraz znaczenia torów. Odległości te wahają się najczęściej w granicach 655÷578 mm przy liczbie 1566÷1733
sztuk podkładów na 1 km toru [3].
Masa drewnianych podkładów kolejowych wynosi średnio 70÷75 kg/sztukę i zależy od rodzaju drewna (sosna
ok. 60 kg, drewno liściaste ok. 80 kg).
Do produkcji drewnianych podkładów kolejowych najczęściej używane jest drewno sosnowe (ok. 75%), a
ponadto bukowe (ok. 15%) oraz dębowe (ok. 10%), przy czym proporcje udziału poszczególnych rodzajów
drewna zmieniały się w ciągu lat. Szacunkowe trwałości eksploatacyjne impregnowanych podkładów
drewnianych wynoszą średnio: sosna 18÷20 lat, a dąb i buk - 30÷35 lat.
Rodzaje, odmiany, wymiary i oznakowanie drewnianych elementów nawierzchni kolejowej określają normy
[4,5].
3. Technologia produkcji drewnianych elementów nawierzchni kolejowej.
Drewno jako materiał konstrukcyjny posiada szereg zalet, a mianowicie:
-
mały ciężar objętościowy,
-
dużą wytrzymałość i sprężystość,
-
mały współczynnik rozszerzalności termicznej,
-
łatwość obróbki mechanicznej.
Impregnacja drewna zabezpiecza je przed wpływami atmosferycznymi i biotycznymi, w tym grzybami i
owadami.
Prawidłowa impregnacja drewnianych elementów nawierzchni kolejowej polega na całkowitym nasyceniu
części bielastej drewna, aż do części twardzielowej, która nie poddaje się nasyceniu środkiem impregnującym.
Wilgotność podkładów przed impregnacją powinna być mniejsza od 25% w stosunku do masy drewna zupełnie
suchego (drewno załadowczo-suche).
Drewniane elementy nawierzchni kolejowej były od ponad 150 lat i są obecnie (aczkolwiek w nieco mniejszym
stopniu) nasycane olejami uzyskiwanymi na bazie smoły węglowej. W Polsce był to olej impregnacyjny
koksowniczy (gatunek K I i K II) oraz gazowniczy (gatunek G), charakteryzowany kolejnymi normami [6] oraz
[7]. Obecnie jest to olej kreozotowy w gatunkach A, B, i C klasyfikowanych według normy [8].
Olej kreozotowy jest powszechnie używanym w całym świecie środkiem zabezpieczającym wyroby drewniane.
Jest on produktem uzyskiwanym w procesie destylacji smoły węglowej i charakteryzuje się barwą brunatną lub
10
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 16 issue 3 (2014)
nawet czarną. Jest on złożoną mieszaniną setek związków organicznych, w tym m.in. wielopierścieniowych
węglowodorów aromatycznych, BTX-ów (benzenu, toluenu i ksylenów) – te dwie grupy związków stanowią ok.
90% masowych oleju – a także kwasów, fenoli, heterocyklicznych związków azotu, siarki i tlenu oraz amin
aromatycznych. W zabezpieczonych olejem kreozotowym drewnianych elementach nawierzchni kolejowej
znajduje się ok. 7÷12% masowych oleju.
Krajowe nasycalnie drewnianych elementów nawierzchni kolejowej stosują głównie olej kreozotowy gatunku B
oraz rzadziej (dla produktów eksportowanych) olej kreozotowy gatunku C. W niektórych nasycalniach
drewnianych elementów nawierzchni kolejowej stosuje się inne impregnaty – olej ekologiczny WEI typu B,
Wolmanit CX 10 lub Tanalith E.
Wymagania techniczne dla olejów kreozotowych gatunków B i C zaprezentowane są w tabeli 3.1.
Tabela 3.1. Wymagania techniczne dla olejów kreozotowych gatunków B i C [8].
Parametry
Gatunek B
Gatunek C
Gęstość w 20°C, g/cm3
1,02÷1,15
1,03÷1,17
Zawartość wody, %
max. 1
max. 1
Temperatura krystalizacji, °C
max. 23
max. 50
Fenole ekstrahowane wodą, %
max. 3
max. 3
Destylat do 235°C, %
max. 20
Destylat do 300°C, %
40÷60
max. 10
Destylat do 355°C, %
min. 70
min. 65
Zawartość benzo[a]pirenu, mg/kg max. 50
max. 50
Olej gatunku C w odróżnieniu od gatunku B nie zawiera niżej wrzących frakcji i z uwagi na mniejszą lotność ma
ograniczony zapach. Olej C ze względu na wyższą gęstość i temperaturę krystalizacji trudniej nasyca drewno i
może je słabiej zabezpieczać, co z kolei może powodować konieczność częstszej wymiany zaimpregnowanych
podkładów. Opisywane oleje są generalnie słabo rozpuszczalne w wodzie – gatunek C mniej niż 0,2 g/dm3.
Proces nasycania podkładów kolejowych odbywa się w komorze impregnacyjnej metodą ciśnieniowo-próżniową
Rueping’a. Jest to metoda nasycania pustokomórkowego (nasycanie oszczędnościowe). Suche drewno
wprowadza się na wózkach do cylindrycznej komory impregnacyjnej. W zamkniętej komorze podwyższa się
ciśnienie powietrza do ok. 0,2 MPa, co ma na celu sprężenie powietrza w komórkach drewna. Po krótkim czasie
ciśnienie powietrza w komórkach osiąga odpowiednie wartości. Następnie komora jest wypełniana gorącym
olejem impregnacyjnym, a ciśnienie powietrza znacznie zwiększane do ok. 0,8 MPa. Ciśnienie to wciska olej w
drewno, a powietrze obecne w komórkach drewna jest sprężane do coraz mniejszej objętości, przez co jego
ciśnienie wzrasta. Po zakończeniu procesu równomiernego rozprowadzenia impregnatu w drewnie, zmniejsza się
ciśnienie w komorze do ciśnienia atmosferycznego, a następnie wytwarza próżnię. Powietrze w drewnie
rozprężając się szybko wypycha z komórek nadmiar oleju na zewnątrz. Otrzymuje się w ten sposób całkowite
przesycenie bielu (np. sosny).
Ilość oleju impregnacyjnego pochłoniętego w procesie nasycania 1 m 3 drewna, według normy [9], wynosi dla
podkładów sosnowych 100 kg/m3, podkładów dębowych - 50 kg/m3 i podkładów bukowych - 150 kg/m3.
Dopuszczalne odchylenia wynoszą od -10 do +20%. Dane te odnoszą się do oleju kreozotowego gatunku B. Dla
oleju kreozotowego gatunku C wynoszą one odpowiednio 65, 25÷30 i 120 kg/m 3 drewna. Głębokość
przesycenia drewna powinna według ww. normy wynosić odpowiednio dla wymienionych gatunków drewna, co
najmniej 7 mm od powierzchni odkrytej twardzieli, 4 mm i 5 mm. W praktyce warstwa przesycona podkładu
drewnianego wynosi ok. 7÷8 mm dla sosny, 6 mm dla dębu i 15÷20 mm dla buku.
4. Gospodarka odpadowymi drewnianymi elementami nawierzchni kolejowej
Gospodarka odpadowymi drewnianymi elementami nawierzchni kolejowej zależy od długości eksploatowanych
linii kolejowych, klasy technicznej torów oraz zakresu i częstotliwości ich remontów.
Według „Master planu” z grudnia 2008 roku dla transportu kolejowego w Polsce do 2030 roku, długość
eksploatowanych linii kolejowych w Polsce w 2006 roku wynosiła 20176 km, w tym linii normalnotorowych 98% [10]. PKP PLK S. A. w 2006 roku zarządzała liniami o długości 18963,7 km i torami długości 25547,7 km.
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 16 issue 3 (2014)
11
W „Master planie” wyszczególniono, że jednym z istotnych problemów infrastruktury kolejowej jest wysoki
odsetek torów ułożonych na podkładach drewnianych, które w dużej części przekroczyły nominalny okres
eksploatacji (17÷18 lat dla drewna miękkiego).
PKP PLK S.A. w infrastrukturze kolejowej na dzień 31 grudnia 2011 roku eksploatowała 19299 km linii
kolejowych (37420 km torów kolejowych), w tym:
-
27863 km torów szlakowych i głównych na zasadniczych stacjach,
-
9557 km torów stacyjnych,
-
43191 rozjazdów.
Podstawowym firmowym opracowaniem regulującym działania w zakresie infrastruktury kolejowej jest
dokument [3]. W Załączniku 14 tego dokumentu podane są kryteria oceny stanu nawierzchni, w tym w tablicy 3
- kryteria oceny stanu podkładów, a w tablicy 4 - graniczne trwałości podkładów w latach w zależności od klasy
torów (sosnowe 18÷21, bukowe 22÷25 i dębowe 30÷33 lat).
Według opracowania Instytutu Ochrony Środowiska z 2002 roku, średni uzysk zużytych podkładów wynosił w
tym okresie 90 tys. sztuk na rok (5,4 tys. Mg/rok) [11].
Oznacza to, że w ciągu roku wymieniano tylko 54 km torów z podkładami drewnianymi, a więc znacząco za
mało dla utrzymania właściwych standardów nawierzchni kolejowej.
W tymże opracowaniu opierając się na danych PKP podano średnie wyniki segregacji w zależności od stopnia
zużycia i kierunki wykorzystania wymienionych drewnianych podkładów:
-
ponowne wbudowanie w tory
- 30%
-
cele budowlane i ogrodowe
- 30%
-
cele opałowe
- 20%
-
próchno
- 20%
W krajach Unii Europejskiej sieć kolejowa obejmuje około 320 tys. km wciąż eksploatowanych torowisk
(EUROSTAT). Drewniana nawierzchnia kolejowa stanowi obecnie w krajach Unii Europejskiej około 40÷50%
użytkowanych linii kolejowych. Jeśli przyjąć, że jeden drewniany element nawierzchni kolejowej waży ok. 60
kg, a na jeden kilometr linii kolejowej przypada 1660÷1670 sztuk elementów drewnianych, można oszacować,
że w Unii Europejskiej w użytkowaniu jest obecnie ok. 12,7÷16 mln Mg drewnianych elementów nawierzchni
kolejowej. Ten fakt ma istotne znaczenie w świetle tego, iż wszystkie te drewniane elementy są zabezpieczone
przed niszczącym wpływem środowiska za pomocą oleju kreozotowego uznawanego za preparat kancerogenny
(w istocie tylko niektóre składniki tego oleju są substancjami kancerogennymi).
Zużyte drewniane elementy nawierzchni kolejowej są traktowane jako odpady niebezpieczne i powinny być
zagospodarowywane zgodnie z wymogami europejskiej dyrektywy 67/548/EEC. W kraju, odpadowe drewniane
elementy nawierzchni kolejowej impregnowane olejem kreozotowym (preparat rakotwórczy kategorii 2)
kwalifikowane są według Katalogu odpadów jako odpad niebezpieczny, gdyż nawet po wieloletniej eksploatacji
zawierają jeszcze od kilku do kilkunastu g/kg wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA).
Kwalifikacja ta wynika z Ustawy o odpadach, Załącznika 3 – składniki C43 - aromatyczne, policykliczne i
heterocykliczne związki organiczne oraz Załącznika 4 - właściwość H17 - „rakotwórcze”.
Rocznie w Unii Europejskiej wymienia się ok. 5÷10% zużytych drewnianych elementów nawierzchni kolejowej
(~0,6÷1,5 mln Mg). Pomimo, iż istnieją rozwiązania techniczne umożliwiające pełną destrukcję tych odpadów w
sposób kwalifikowany (spalarnie odpadów niebezpiecznych), to jednak wciąż dostępnych jest zbyt mało
rozwiązań technicznych gwarantujących wysokosprawną energetycznie i bezpieczną środowiskowo ich
utylizację, szczególnie w niedużych skalach. Szacuje się, że aktualnie tylko 15÷25% zużytych drewnianych
elementów nawierzchni kolejowej w Unii Europejskiej jest odzyskiwane we właściwy, zgodny z wymogami
legislacyjnymi sposób. Wiele krajów zezwala na wtórne wykorzystanie tych elementów, np. do konstrukcji
drewnianych użytkowanych w ogrodnictwie.
Odpadowe, nie nadające się do powtórnego wykorzystania na torowiskach podkłady kolejowe mogą być
unieszkodliwiane przez składowanie, obróbkę biologiczną lub wykorzystane energetycznie (odzysk).
Składowanie powinno się odbywać na składowiskach odpadów niebezpiecznych posiadających izolację
12
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 16 issue 3 (2014)
syntetyczną. Jest to sposób kosztowny, który jednak nie prowadzi do całkowitej dekontaminacji odpadowych
podkładów, a więc powinien być stosowany tylko w szczególnych przypadkach.
Zużyte drewniane elementy nawierzchni kolejowej mogą być też traktowane w hermetycznym autoklawie, w
warunkach ciśnieniowych, kąpielą ługującą w postaci wodnego roztworu zawierającego niepatogenne szczepy
bakteryjne z grupy Pseudomonas. Poprocesowa emulsja olejowo-wodna jest łatwo biodegradowalna. W drewnie
pozostaje max. 2% wprowadzanego oleju impregnacyjnego, tak więc odzyskane drewno można bezpiecznie
wykorzystywać jako materiał opałowy lub do innych użytków. Technologia ta jest stosowana wymiennie z
nasycaniem w firmie Teleenergetyczne Konstrukcje Wsporcze Sp. z o.o. w Wałbrzychu i chroniona patentem PL
370 869, lecz poza tym nie znalazła zastosowania, prawdopodobnie ze względu na periodyczność procesu i
pewną uciążliwość środowiskową.
W celu oszacowania możliwej aktualnej podaży odpadowych drewnianych elementów nawierzchni kolejowej na
rynku krajowym w okresach rocznych, przeprowadzono symulacje w dwu wariantach.
Wariant pierwszy dotyczy torów, które już przekroczyły lub niedługo przekroczą nominalny okres eksploatacji.
Założono, że będzie to 10 tys. km torów do wymiany w ciągu 10 lat przy 1670 sztukach podkładów na 1
kilometr toru. Wymiana obejmowałaby zatem 1 670 000 sztuk podkładów na rok, a tym samym pozyskanie
podobnej liczby podkładów zużytych. Nawet dla najlżejszych podkładów sosnowych o masie sztuki ~60 kg,
byłoby to ok. 100 tys. Mg/rok stosunkowo suchej biomasy drzewnej. Jeżeli nawet połowa tych podkładów
podlegałaby zabudowaniu, magazynowaniu lub składowaniu, to pozostawałoby jeszcze ok. 50 tys. Mg/rok
biomasy drzewnej do wykorzystania energetycznego. Jest to wartość nieco zaniżona, gdyż pozyskiwane w
mniejszych ilościach podkłady z dębu i buku mają większe masy jednostkowe.
Wariant drugi przyjmuje jako bazę ilość podkładów kolejowych drewnianych aktualnie sprzedawanych przez
producentów krajowych do odnawianej zabudowy torowej. Krajowymi dostawcami impregnowanych
podkładów drewnianych dla kolejnictwa są cztery nasycalnie podkładów w Czeremsze, Pludrach, Lipie i
Koźminie Wlkp. Szacunkowa roczna dostawa podkładów z tych nasycalni dla PKP PLK S.A. wynosi 560 tys.
sztuk. Biorąc pod uwagę przeznaczenie na rozbudowę infrastruktury kolejowej 60 tys. sztuk, pozostaje 500 tys.
sztuk podkładów do zabudowy odtworzeniowej ok. 300 km torów. Podobna ilość zużytych podkładów zostanie
zatem odzyskana. Przeliczając ją na masę 60 kilogramowych podkładów sosnowych otrzymuje się ok. 30 tys.
Mg/rok biomasy drzewnej. Przy podobnym jej rozdysponowaniu jak w wariancie „I”, do wykorzystania
energetycznego pozostanie więc 15 tys. Mg/rok.
Rozwój technologii zgazowania węgla jest przyczyną rosnącego w ostatnich latach zainteresowania
wykorzystaniem innych paliw stałych - biomasy i odpadów - dla produkcji gazu syntezowego i/lub palnego.
Obecnie – przy zastosowaniu nowych rozwiązań procesowych i aparaturowych - gaz wytwarzany ze zgazowania
biomasy i odpadów wykorzystywany jest głównie do produkcji ciepła i energii elektrycznej w blokach
energetycznych. Gaz ten może służyć również jako surowiec do produkcji gazu syntezowego dla wytwarzania
paliw ciekłych. Rozwój technologii zgazowania biomasy i odpadów osiągnął już punkt atrakcyjności rynkowej.
Pierwsze instalacje zgazowania biomasy i odpadów pracują w skali demonstracyjnej i przemysłowej, należy
więc sądzić, że osiągną status komercyjnych technologii w nieodległym czasie [12].
Ilość biomasy drzewnej możliwa do pozyskania z odpadowych podkładów kolejowych, może w pełni
zabezpieczyć funkcjonowanie kilku średnioskalowych instalacji zgazowania o zapotrzebowaniu paliwa w
przedziale 2÷3 tys. Mg/rok.
Należy jednak pamiętać, że instalacja prowadząca działalność gospodarczą polegającą na zgazowaniu
odpadowych impregnowanych drewnianych elementów nawierzchni kolejowej i słupów teletechnicznych oraz
wykorzystywaniu energetycznym powstającego gazu procesowego, podlega przepisom prawnym dotyczącym
gospodarki odpadami.
Obowiązek dokonania klasyfikacji spoczywa na wytwórcy odpadu. Sposób postępowania z danym rodzajem
odpadów, wytwarzanych w związku z prowadzoną działalnością (w tym również klasyfikacja odpadu), powinien
zostać zatwierdzony w drodze decyzji przez organ wydający decyzję i dla wytwórcy odpadów jest on wiążący.
Odpady elementów drewnianych takich, jak zużyte słupy teleenergetyczne lub podkłady kolejowe
(impregnowane olejami zawierającymi policykliczne węglowodory aromatyczne), pochodzące z rozbiórek i
remontów, kwalifikowane są wg rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 27 września 2001r. w sprawie
katalogu odpadów (Dz.U. nr 112, poz. 1206) jako odpady niebezpieczne (kod 17 02 04*) i podlegają według
obowiązującego prawa szczególnemu nadzorowi i obowiązkowi ewidencji.
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 16 issue 3 (2014)
13
Można jednak wykonać dodatkowe badania, w trakcie których może zostać stwierdzone, że materiały te (lub ich
część) nie należą do odpadów niebezpiecznych. Wtedy odpady te otrzymują kod 17 02 01. Określenie, czy dany
materiał jest odpadem niebezpiecznym czy bezpiecznym, dokonuje się w oparciu o rozporządzenie Ministra
Środowiska z dnia 13 maja 2004r. w sprawie warunków, w których uznaje się, że odpady są niebezpieczne
(Dz.U. Nr 128, poz. 1347).
Rozważając możliwość prowadzenia zgazowania zużytych drewnianych elementów nawierzchni kolejowej,
należy wziąć pod uwagę aktualną wiedzę z zakresu zgazowania paliw stałych, a w szczególności doświadczenia
z praktycznej realizacji tego procesu z wykorzystaniem przedmiotowego paliwa. Niestety doświadczeń tych jest
bardzo mało (z których kilka omówiono poniżej).
5. Przykłady zgazowania zużytych drewnianych elementów nawierzchni kolejowej
Zużyte drewniane elementy nawierzchni kolejowych są silnie zanieczyszczonymi odpadami (przede wszystkim
wyższymi węglowodorami aromatycznymi), które mogą być unieszkodliwiane na co najmniej kilka różnych
sposobów. Jednym z nich jest najnowsza technologia firmy XYLOWATT (belgijska firma powstała w 2001
roku), polegająca na ich zgazowaniu, z zachowaniem najsurowszych norm emisyjnych. W Brukseli rozpoczął się
w 2013 roku projekt umożliwiający przetworzenie 5 tys. Mg/rok zużytych drewnianych elementów nawierzchni
kolejowych na zieloną energię [13].
Proces zgazowania zużytych drewnianych elementów nawierzchni kolejowych - opracowany przez belgijską
firmę XYLOWATT (Charleroi), ma potencjał, aby zdominować rynek zagospodarowania tych odpadów. Zużyte
drewniane elementy nawierzchni kolejowej, wraz z wieloma innymi rodzajami zużytych wyrobów drewnianych
impregnowanych olejem kreozotowym, są uciążliwe i powszechnie dostępne na całym świecie. Jednakże są one
trudne do odzysku, ze względu na zawarte w nich toksyczne dla środowiska naturalnego i ludzi
zanieczyszczenia. Unia Europejska znacząco ograniczyła możliwości unieszkodliwiania odpadowego drewna
impregnowanego olejem kreozotowym, klasyfikując ten rodzaj odpadów jako odpady niebezpieczne, które
wymagają stosowania wysoko specjalistycznych urządzeń dla ich przetwarzania, jak i specjalnych zabezpieczeń
w przypadku ich magazynowania.
Od roku 2007 firma XYLOWATT prowadzi sprzedaż gazogeneratora Notar®, zaprojektowanego specjalnie dla
destrukcji substancji smolistych i produkcji czystego gazu. Technologia ta pozwala również na skuteczną
destrukcję składników oleju kreozotowego i koncentrację metali ciężkich w popiele. Gazogenerator Notar®
przeszedł skutecznie badania naukowe i testy przemysłowe, a wyniki tych prac zostały zaprezentowane na
konferencjach międzynarodowych. Gazogeneratory firmy XYLOWATT są aktualnie prawdopodobnie jedynymi
w Europie zweryfikowanymi w skali przemysłowej reaktorami umożliwiającymi wychwytywanie metali
ciężkich i destrukcję składników oleju kreozotowego.
Wysoką skuteczność zgazowania zużytych drewnianych elementów nawierzchni kolejowej według technologii
firmy XYLOWATT potwierdzono podczas testów przeprowadzonych w instalacji eksperymentalnej
zlokalizowanej w Université Catholique de Louvain (Belgia). Podczas tych testów prowadzone były pomiary
wielkości emisji, aby potwierdzić jej zgodność z wymogami europejskiej dyrektywy 2000/76/WE w sprawie
spalania odpadów. Badania (certyfikowane przez niezależną jednostkę kontrolującą) wykazały, że uzyskana
emisja osiągnęła w trakcie testów tylko 10% maksymalnej wartości określonej w normie dla większości z
podanych w dyrektywie zanieczyszczeń wymagających kontroli (w tym dioksyn i furanów).
Po długiej procedurze badania oddziaływania omawianej technologii na środowisko, wyjątkowo dobre wyniki
zgazowania zużytych drewnianych elementów nawierzchni kolejowej, umożliwiły właściwym władzom
Regionu Stołecznego Brukseli wydanie pozwolenia środowiskowego na uruchomienie zakładu zgazowania tej
biomasy, zlokalizowanego w Brukseli. Zakład ten pozwoli na odzyskanie 5 tys. Mg zużytych drewnianych
elementów nawierzchni kolejowej rocznie, co umożliwi wytworzenie 0,9 MW energii elektrycznej oraz 1,8 MW
ciepła.
Zgazowanie zużytych elementów nawierzchni kolejowej było również prowadzone w instalacji z cyrkulującym
złożem fluidalnym (~40÷70 MWth w paliwie), w zakładzie Kymijärvi zlokalizowanym w Lahti (Finlandia) [14].
Instalacja ta przeznaczona jest do zgazowania różnych paliw, w tym m.in. biomasy, stałych paliw wtórnych,
rozdrobnionych zużytych opon i odpadowych tworzyw sztucznych. Reaktor zgazowania przyłączony jest do
pyłowego kotła węglowego, w którym gaz ze zgazowania różnych paliw jest współspalany. Zgazowanie
zużytych elementów nawierzchni kolejowej i rozdrobnionych zużytych opon samochodowych wymagało
przeprowadzenia nieznacznych przeróbek instalacji, związanych przede wszystkim z możliwością
14
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 16 issue 3 (2014)
wprowadzania do układu elementów metalowych (gwoździ, drutów i in.). Operatorzy instalacji spodziewają się
systematycznego wzrostu udziału paliw odpadowych (w tym zużytych elementów nawierzchni kolejowej)
w produkowanej przez zakład energii. Instalacja spełnia wszystkie, bardzo restrykcyjne wymogi emisyjne.
W najnowszej publikacji dotyczącej omawianego zagadnienia [15], przedstawiono wyniki badań dotyczące
zgazowania zużytych drewnianych elementów nawierzchni kolejowej w skali 1 kg/h, prowadzonego w instalacji
laboratoryjnej wyposażonej w dwustopniowy fluidyzacyjny reaktor zgazowania. Obydwie strefy reaktora
oddzielone są perforowaną przegrodą o średnicy oczek wynoszącej 1 mm. W pierwszej (fluidalnej) strefie
następuje zgazowanie zużytych drewnianych elementów nawierzchni kolejowej, natomiast w strefie drugiej
prowadzona jest termiczna konwersja smół zawartych w gazie wyprowadzanym ze strefy pierwszej. Do strefy
konwersji smół można wprowadzać różne materiały (katalizatory) dla badania ich wpływu na skuteczność
przebiegu procesu. Badania zgazowania zużytych drewnianych elementów nawierzchni kolejowej prowadzono
wykorzystując paliwo wstępnie rozdrobnione i pozbawione elementów metalowych. W badaniach wykazano, że
powietrzne zgazowanie zużytych drewnianych elementów nawierzchni kolejowej umożliwia wytwarzanie
czystego gazu charakteryzującego się stosunkowo wysoką wartością opałową (4,5÷10,5 MJ/m3n). Skutecznym
katalizatorem konwersji smół przetestowanym w przeprowadzonych badaniach był dolomit.
Również w kraju prowadzone są prace badawcze mające na celu opracowanie skutecznego sposobu
przetworzenia zużytych drewnianych podkładów kolejowych na ciepło i energię elektryczną z wykorzystaniem
procesu zgazowania. IChPW wspólnie z firmą SYNGAZ Sp. z o.o. opracowuje technologię zgazowania
impregnowanego drewna odpadowego w innowacyjnym reaktorze ze złożem stałym wyposażonym w układ
mokrego oczyszczania gazu procesowego (skruber olejowy). Wstępne wyniki prac powietrznego zgazowania
rozdrobnionych zużytych drewnianych podkładów kolejowych potwierdzają skuteczność zastosowanego
rozwiązania. Wytwarzany z podkładów gaz charakteryzował się w przeprowadzonych testach wartością opałową
ok. 7÷8 MJ/mn3, po układzie mokrego oczyszczania był pozbawiony zanieczyszczeń smołowych i wobec tego
mógł być bezproblemowo spalany w silniku gazowym sprzężonym z generatorem prądu elektrycznego.
Technologia zgazowania zużytych drewnianych podkładów kolejowych z zastosowaniem procesu zgazowania
wymaga wciąż udoskonalenia, co przede wszystkim wynika z konieczności spełnienia wszystkich wymagań
technicznych z zakresu termicznego przekształcania odpadów.
6. Podsumowanie
Legislacyjny wymóg traktowania zużytych drewnianych elementów nawierzchni kolejowej jako odpadów
niebezpiecznych ogranicza w praktyce możliwość doboru procesu ich unieszkodliwiania. Termiczne
przekształcanie odpadów w instalacjach lub urządzeniach zlokalizowanych na lądzie (D10, Załącznik nr 6
Ustawy o odpadach) uznano za najbardziej efektywne podejście do utylizacji drewna impregnowanego olejem
kreozotowym. Wybrana technologia zgazowania obok efektywności energetycznej zapewnia również
dodatkowy zysk z tytułu opłat od wytwórców lub właścicieli przedmiotowych odpadów niebezpiecznych.
Przedstawione informacje dotyczące zgazowania zużytych drewnianych elementów nawierzchni kolejowych są
potwierdzeniem, iż zagadnienie to nabiera w świecie coraz większego znaczenia.
Rozwój technologii zgazowania biomasy (w tym zużytych drewnianych elementów nawierzchni kolejowej)
ukierunkowany będzie najprawdopodobniej na układy charakteryzujące się niedużymi mocami. Fakt ten jest
determinowany w pierwszej kolejności przez logistykę transportu i magazynowania biomasy i odpadów o
charakterze biomasy. Wydaje się, że układy o dużych mocach - ze względu na koszty transportu biomasy (mała
gęstość energii) – mają gorszą perspektywę rozwoju.
Technologie zgazowania biomasy i odpadów o charakterze biomasy ze względu na wiele zalet są godne
upowszechniania. Ważnym argumentem przemawiającym za ich szerokim wdrażaniem – również w naszym
kraju – jest m.in. to, że umożliwiają wytwarzanie użytecznej energii cieplnej i elektrycznej, pozwalając
jednocześnie na skuteczne rozwiązanie problemu racjonalnego wykorzystania odpadów, często trudnych do
zagospodarowania w inny sposób.
Należy pamiętać, że zgazowanie odpadów drewnianych elementów nawierzchni kolejowej i słupów
teletechnicznych traktowane jest jako proces termicznego przekształcania odpadów niebezpiecznych. Sprawia
to, że instalacja przetwórcza jest traktowana na równi ze spalarnią odpadów.
Taki status powoduje konieczność spełnienia przez prowadzącego instalację szeregu wysokich wymagań
środowiskowych, w tym szczególnie odnoszących się do emisji zanieczyszczeń ze spalania gazu procesowego.
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 16 issue 3 (2014)
15
Dla ich spełnienia konieczne jest wyposażenie instalacji w odpowiedni monitoring emisyjny i procesowy.
Ponadto, przy przekroczeniu wydajności instalacji na poziomie 10 ton odpadów na dobę, obowiązuje uzyskanie
pozwolenia zintegrowanego.
Z drugiej strony, jeżeli wytwarzany z odpadów gaz procesowy będzie energetycznie wykorzystywany poza
instalacją – możliwe jest uczestnictwo przez prowadzącego instalację w korzyściach związanych z rozliczaniem
wytwarzaniem energii elektrycznej, jako energii pochodzącej z odnawialnych źródeł energii (w tym przypadku –
biomasy drzewnej), a także z rozliczaniem emisji gazów cieplarnianych.
Wykonane szacunkowe obliczenia w oparciu o przeprowadzoną analizę rynku wskazują, że w kolejnych latach
możliwe będzie pozyskiwanie na rynku krajowym co najmniej 15 tys. Mg/rok zużytych drewnianych elementów
nawierzchni kolejowej. Materiał ten może stanowić doskonałe paliwo dla procesu zgazowania i produkcji
użytecznego ciepła i energii elektrycznej. Racjonalna organizacja przedsięwzięcia pozwoli na skuteczne
zagospodarowanie odpadu, którego wykorzystanie nie jest wciąż w skali kraju poprawnie realizowane, a który
stanowić może zastępnik części biomasy leśnej wykorzystywanej do produkcji energii.
Literatura
1.
Betlej I.: Czy powtórne wykorzystanie drewna impregnowanego, wycofanego z eksploatacji jest
bezpieczne? Akademia naukowa (Internet), czerwiec, 2012.
2.
PN-EN 335-1 „Trwałość drewna i materiałów drewnopochodnych. Definicja klas użytkowania. Część 1:
Postanowienia ogólne”.
3.
„Warunki techniczne utrzymania nawierzchni na liniach kolejowych, Id-1”. PKP POLSKIE LINIE
KOLEJOWE S.A., Warszawa, 2005 (Tekst jednolity z dnia 1 września 2010 r.).
4.
PN-73/D-95006 „Materiały drzewne nawierzchni torowej normalnotorowej”.
5.
PN-EN 13145+A1 „Kolejnictwo – Tor – Podkłady i podrozjazdnice drewniane”.
6.
PN-68/C-97023 „Produkty węglopochodne. Olej impregnacyjny”.
7.
PN 83/C-97023 „Produkty węglopochodne. Olej impregnacyjny”.
8.
PN-EN 13991:2004 - Pochodne z pirolizy węgla - Oleje na bazie smoły węglowej: olej kreozotowy -Wymagania techniczne i metody badań.
9.
PN-D-95014 „Nawierzchnia kolejowa. Sosnowe, dębowe i bukowe materiały drzewne nawierzchni
kolejowej nasycane olejem impregnacyjnym”.
10. Master plan dla transportu kolejowego w Polsce do 2030 r., Ministerstwo Infrastruktury, Warszawa,
sierpień 2008.
11. Gospodarka odpadami podkładów kolejowych drewnianych, Instytut Ochrony Środowiska, Warszawa,
2002.
12. Sobolewski A., Stelmach S., Iluk T.: Technologies of biomass gasification. Eco-energetics – Biogas and
Syngas. Technologies, legal frameworks and economics in baltic see region. Editors A. Cenian, J.
Gołaszewski and T. Noch. Wydawnictwo GWSA, 2011.
13. www.xylowatt.com.
14. www.power-technology.com/projects/kymijarvi/.
15. Tae-Young M., Jin-Won K., Joo-Sik K.: Air gasification of railroad wood ties treated with creosote: Effects
of additives and their combination on the removal of tar in a two-stage gasifier. Fuel 102 (2012) 326-332.
16
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 16 issue 3 (2014)